Diode Zener

دیود زنر Diode Zener :

       دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P,N ساخته می شود. جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیکن بوده و در بایاس موافق، مانند یک دیود معمولی سیلیکنی است. برخلاف دیود های معمولی که در بایاس مخالف، که در منطقه ی شکست آسیب می بینند، دیود زنر به گونه ای ساخته می شود تا بتواند در منطقه ی شکست کار کند. وقتی ولتاژ بایاس مخالف دو سر دیود را به تدریج افزایش دهیم، در یک ولتاژ خاص دیود شروع به هدایت می کند. با هادی شدن دیود ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت می ماند و جریان عبوری از دیود افزایش می یابد. ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس هادی می شود به (ولتاژ  شکست زنر) معروف است.

منحنی مشخصه ی ولت آمپر زنر:
در شکل زیر منحنی مشخصه ی ولت آمپر دیود زنر نشان داده شده است: در بایاس موافق مشخصه ی این دیود مانند یک دیود معمولی سیلیکنی است. در بایاس مخالف تا ولتاژ خاصی بنام ولتاژ شکست، جریان بسیار ناچیز نشتی از دیود می گذرد، اما در ولتاژ شکست جریان عبوری از دیود افزایش یافته و ولتاژ دوسر دیود تقریباً ثابت می ماند. با تغییر ناخالصی در نیمه هادی های زنر می توان دیود های زنر با ولتاژ شکست حدود 2 تا 200 ولت تولید نمود.

علامت اختصاری دیود زنر:
       .دیود زنر در مدارها به دوصورت مطابق شکل زیر نشان داده می شود

استاندارد ولتاژ های زنر:

دیود زنر در ولتاژهای شکست مختلف مطابق استاندارد سری E ساخته می شود. دو سری استانداردE12 و E24 متداول تر است. ولتاژ زنر معمولاً از 2.4 ولت تا 200 ولت ساخته می شود. سری E12 دارای تلرانس 10 درصد و سری E24  دارای تلرانس 5 درصد است. معمولاً تلرانس همراه ولتاژ شکست روی دیود نوشته می شود. حرف C برای تلرانس 5% و حرفD  برای تلرانس 10%به کار می رود. برای مثال دیود ذنر BZX32 / C397 دارای ولتاژ شکست 3.9 ولت و تلرانس 5% است.

توان زنر:

جریانی که در بایاس معکوس از دیود می گذرد، در محل اتصال P-N حرارت ایجاد می کند. حداکثر جریانی که ممکن است از دیود زنر در بایاس معکوس بگذرد به گونه ای که به زنر آسیب نرساند، به توان زنر بستگی دارد توان زنر از رابطه ی زیر به دست می آید: واحد آن وات می باشد.

هر دیود زنر برای توان ماکزیموم معینی ساخته می شود. این توان معمولاً از 0.15 وات تا 50 وات است. با مشخص بودن توان زنر و ولتاژ زنر حداکثر جریان عبوری از زنر از رابطه ی زیر به دست می آید.

مدار معادل دیود زنر:

  اگر در ناحیه ی شکست، ولتاژ دو سر زنر را کاملاً ثابت در نظر بگیریم می توان یک دیود زنر را به گونه ی ایده آل، معادل یک باتری در نظر گرفت. در شکل زیر معادل ایده آل زنر را مشاهده می کنید. اما دیود زنر به صورت واقعی معادل یک مقاومت دینامیکی و یک ولتاژ DC مساوی با ولتاژ شکست زنر نشان داده شده است.

مقاومت دینامیکی زنر:
 مقاومت دینامیکی زنر از رابطه ی زیر به دست می آید. شکل زیر تصویری از چگونگی محاسبه ی مقاومت دینامیکی زنر می باشد.

کاربرد دیود زنر:

اگر منبع ولتاژ کم شود جریان زنر کم می شود، اما ولتاژ دوسر آن ثابت می ماند. اگر منبع ولتاژ زیاد شود، جریان زنر زیاد می شود، اما ولتاژ دو سر آن ثابت می ماند. البته لازم است برای تثبیت ولتاژ، ولتاژ منبع از ولتاژ شکست زنر بیش تر باشد تا دیود زنر در ناحیه ی شکست خود کار کند.

در این شکل مدار منبع تغذیه ی 9.1 ولت و 5.1 ولت توسط زنر نشان داده شده است.

استفاده از زنر برای حفاظت دستگاه در مقابل ولتاژ اضافی:
 در مدار زیر مدار حفاظت با دیود زنر رسم شده است. در اثر عواملی نظیر افزایش ولتاژ شبکه یا اتصال ثانویه به اولیه ی ترانس، ولتاژ خروجی منبع تغذیه افزایش می یابد. این افزایش ولتاژ می تواند به بار آسیب برساند، دیود زنر در وضعیت عادی ولتاژ شکستی بیشتر از حداکثر ولتاژ منبع تغذیه دارد و قطع است. اگر ولتاژ خروجی منبع تغذیه زیاد شود دیود زنر در منطقه ی شکست قرار گرفته هادی می شود و جریان آن به طور ناگهانی زیاد تر شده در نتیجه، جریان زیاد سبب سوختن فیوز و قطع ولتاژ دو سر بار می شود.

تحلیل مدار دیود زنر:
 تحلیل شبکه های که دیود زنر را به کار می برند بسیار شبیه به تحلیل دیود های نیمه هادی در بخش های قبل است. ابتدا باید حالت دیود را مشخص کرد و سپس باید آن را با مدل مناسبی جایگزین و سایر کمیت های نامعلوم شبکه را تعیین نمود. برای مثال مداری به شکل زیر داریم:

ثابت ها R, Vi :  ساده ترین شبکه دیود زنر در شکل دیده می شود. ولتاژ اعمال شده DC و مقاومت بار ثابتند. تحلیل اصولاً می تواند به دو مرحله زیر تقسیم شود:

1.  تعیین حالت دیود زنر با حذف آن از شبکه و محاسبه ولتاژ دو سر مدار باز حاصل. با توجه به قانون تقسیم ولتاژ داریم:

اگر V >= Vz  باشد دیود زنر روشن و مدل معادل جایگزین می شود. و اگر V < Vz  باشد دیود خاموش و معادل مدار باز جایگزین می گردد.

1.  مدار معادل را جایگزین کرده و آن را برای کمیت نامشخص مورد نظر حل کنید.  برای حالت روشن چون ولتاژهای دو سر عناصر موازی باید یکی باشند خواهیم داشت:

VL = Vz
جریان دیود زنر باید با اعمال قانون جریان کیرشهوف معین شود. یعنی:

توان تلف شده هم مانند رابطه که ذکر شد محاسبه می شود.تشخیص کاربرد مرحله اول برای تعیین حالت دیود زنر اهمیت دارد. اگر دیود زنر روشن باشد ولتاژ دو سر آن به ولتاژ نامی دیود زنر به محض  رسیدن ولتاژ دو سرش به Vz روشن می شود. سپس در همین مقدار ولتاژ قفل شده و هرگز به ولتاژ منبع نمی رسد. دیود زنر مکرراً در شبکه های رگولاتور یا ایجاد ولتاژ مرجع به کار می روند.
مدار بالا یک رگولاتور ساده است که برای تثبیت ولتاژ دو سر RL طراحی شده است. برای مقادیر ولتاژ بزرگتر از آنچه برای روشن شدن دیود زنر لازم است، ولتاژ دوسر بار ثابت می ماند.
با استفاده از معادله داریم:

VL = V = 8.73v
VR = Vi –VL = 16 – 8.73 = 7.27 v

برای محاسبه نقطه کار دیود زنر روش های دیگری هم استفاده می شود که تقریباً شبیه روش های بالا می باشد. ضمناً شما می توانید مدار آزمایشی شبیه سازی شده با نرم افزار Proteus v7 را از لینک زیر دانلود نمائید:

توجه: در مدار بالا اگر کلید SW2 را قطع کنید، یا مقاومت بار حذف شود با تغییر کلید SW1 ولتاژ خروجی از مقدار ولتاژ دیود زنر بالاتر نمی رود یعنی اگر ولتاژ 12 ولت باشد ولتاژ خروجی در حدود 9.99 ولت می شود. شما می توانید این عمل را بازدن کلید Play   مشاهده نمائید.

تشخیص معیوب بودن دیود زنر:  
برای تست دیود زنر ابتدا مولتیمتر را در حالت تست دیود قرار می دهیم سیم مثبت را به آند دیود متصل نموده سیم مشکی را هم به کاتد دیود وصل می کنیم در این حالت دیود به وسیله ی مولتیمتر در بایاس موافق قرار می گیرد مولتی متر دیجیتالی ولتاژ بایاس دیود را نشان می دهد که این ولتاژ برای دیود های سیلیکنی حدود 0.7  ولت و دیود در گرایش مستقیم راه می دهد و سالم است. اما می دانیم استفاده از دیود زنر به خاطر ولتاژ شکست آنها است و نیز می دانیم هر یک از دیود های زنر دارای ولتاژ شکست خود می باشند پس مدار را روشن نموده اگر دیود سالم باشد باید ولتاژ نوشته شده برروی آن با ولتاژ گرفته شده توسط  مولتیمتر از دوسر آن حدوداً یکی باشد. اگر چنین نبود دیود زنر آسیب دیده است.

نسخه ی pdf قابل دانلود این صفحه:

لینک دانلود:

http://s3.picofile.com/file/7399814622/Electronic_Diode_Zener_005_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

راھنمای دانلودگزارش خرابی لینک