دیود زنر چیست؟ (ویژگی ها، عملکرد و کاربرد دیودهای شکست)

دیود زنر چیست و چه کاربردی دارد؟ اگر به حوزه برق و مدارهای الکتریکی علاقمند باشید حتما نام این قطعه به گوشتان خورده است. دیودها به عنوان قطعات یکسو کننده جریان شناخته می شوند. اما زنر دیودها قطعاتی هستند که تنها با این عنوان شناخته نمی شوند.

دیودهای زنر یا شکست قطعاتی نیمه هادی هستند که برخلاف دیودهای معمولی اجازه عبور جریان را در هر دو جهت امکان پذیر می سازند. ویژگی منحصر به فرد این قطعات این است که با رسیدن ولتاژ برق به ولتاژ شکست، اجازه عبور جریان را در جهت معکوس ممکن می سازند. این ویژگی باعث شده است تا زنر دیودها در مونتاژ بردهای الکترونیکی چون مونتاژ PCB محصولی کاربردی و پر اهمیت محسوب شوند. دیودهای زنر به عنوان منابع ایجاد ولتاژی پایدار در مدارهای الکترونیکی کاربرد گسترده ای دارند.

دیود زنر چیست؟

دیود زنر (Zener diode) یک نیمه هادی و نوعی خاص از دیودهای یکسو کننده است که امکان حرکت جریان در جهت رو به جلو (بایاس مستقیم) و بر عکس (بایاس معکوس) را در مدار فراهم می کند. بر خلاف دیودهای معمولی، در این دیودها ولتاژ شکست چندان بالا نیست و در نتیجه اعمال ولتاژی بیش از این ولتاژ، آسیبی به قطعه وارد نمی شود.

دیودهای زنر مانند دیودهای معمولی ساختاری متشکل از اتصال سیلیکون PN دارند. این دیودها علاوه بر عبور جریان در بایاس مستقیم، در بایاس معکوس هم این عملکرد را نشان می دهند. در دیودهای زنر با رسیدن ولتاژ به حدی معین (ولتاژ شکست)، اجازه حرکت جریان در جهت معکوس داده می شود. هدایت جریان در بایاس معکوس باعث شده است تا این قطعات در حفاظت بردهای الکترونیکی از اضافه ولتاژ کاربرد مفیدی داشته باشند.

ویژگی های شاخص Zener diod عبارت است از:

• دیودهای زنر از دو نیمه هادی (N و P) ساخته شده اند و از ترکیب این دو اتصال PN ایجاد می شود.
• ساختار این دیودها مانند انواع معمولی آنها از یک پیوند PN تشکیل شده است. اما ناخالصی های موجود در ناحیه های N و P در مقایسه با دیودهای معمولی بیشتر است.
• در ولتاژ شکست جریان معکوس ایجاد می کنند و در نتیجه می توان ولتاژی پایدار در مدار انتظار داشت.
• به دلیل عرض کمتر ناحیه تخلیه در این دیودها، اعمال اندکی ولتاژ منفی کافی است تا آن را بشکند. (میزان این ولتاژ با توجه به عرض ناحیه تخلیه و ناخالصی موجود در دو نیمه هادی متفاوت است.)

کاربرد دیود زنر

• انتقال دهنده ولتاژ: از این کاربرد دیودهای زنر در مدارهای مقاومتی استفاده می شود. با قرار دادن این قطعه در مسیر ورودی مدار، مقدار ولتاژ اعمال شده به مقاومت را به اندازه ولتاژ شکست دیود تغییر می دهند.
• تنظیم ولتاژ: اصلی ترین کاربرد Zener diod همین تثبیت یا تنظیم کنندگی ولتاژ است. این قطعات ولتاژ را به میزانی ثابت حفظ می کنند. اما جریان در حد بیشینه و کمینه مقدار جریان معکوس باقی می ماند.
• تغییر دهنده شکل موج: این کاربرد دیود زنرها به دلیل ویژگی برگشتی جریان در ولتاژ شکست آنهاست. این دیودها می توانند شکل موج ورودی  AC را در مدارهای برش دهنده و جا به جا کننده سطح سیگنال اصلاح و در خروجی سیگنال اشکالی متفاوت را ایجاد کنند. زنر دیودها به عنوان تغییر دهنده شکل موج در رادیوها و گیرنده های آنالوگ مورد استفاده قرار می گیرند.

چند اصطلاح فنی در مورد دیودهای زنر

قبل از توضیح عملکرد، بهتر است با چند اصطلاح کاربردی در زمینه عملکرد این قطعه آشنا شوید:

• بایاس مستقیم: یعنی عبور جریان از آند به کاتد. این عملکرد مربوط به زمانی است که سر مثبت و منفی منبع تغذیه به سر همتای آن در دیود متصل شود. (مثبت منبع تغذیه به مثبت دیود و منفی منبع تغذیه به منفی دیود)
• بایاس معکوس: زمانی اتفاق می افتد که اتصال دیودها به منبع ولتاژ متغیر به صورت موازی باشد و سرهای منبع تغذیه و دیود اتصالی نامتقارن داشته باشند. (منفی به مثبت و بالعکس).
• شکست بهمنی: نوعی شکست پیوند PN است که طی آن در سراسر دیود میدان الکتریکی در جهت معکوس اعمال می شود. این فرایند باعث افزایش سرعت حامل های بار و ایجاد تعداد زیاد جفت حفره-الکترون می شود.
• شکست زنری: شکست موقت اتصال پیوند PN در یک دیود نیمه هادی است. این فرایند به دلیل جریان الکترون های آزاد در کل منطقه پیوند اتفاق می افتد. با حذف ولتاژ معکوس، دوباره  پیوند PN به حالت اولیه خود باز می گردد.

عملکرد Zener diod چگونه است؟

 با اعمال ولتاژ معکوس به محل اتصال PN دیود، به دلیل شکست رخ داده جریان معکوس ایجاد می شود. تغییر جهت جریان به الکترون های ظرفیت، سرعت می بخشد و آنها را آزاد می کند.

این دیودها در زمان مثبت بودن آند نسبت به کاتد و بایاس مستقیم، عملکردی مانند یک دیود معمولی دارند؛ یعنی جریان را عبور می دهند. در دیودهای زنر در زمان مثبت تر شدن کاتد نسبت به آند و بایاس معکوس، بر خلاف دیودهای معمولی جریان مسدود نمی شود. در این شرایط با رسیدن ولتاژ معکوس به یک حد استاندارد از پیش تعیین شده، هدایت جریان در جهت معکوس انجام می شود.

چند نکته کاربردی درباره عملکرد دیودهای شکست

• دیودهای زنر در حالت بایاس معکوس کارکردی مشابه دیودهای سیلیکونی معمولی دارند. در این شرایط ولتاژ را تا 0.7 ولت کاهش می دهند.
• این دیودها ولتاژ خروجی را تا زمانی که جریان زنر از حد بیشینه خود فراتر نرود ثابت نگه می دارند.
• کاربرد اصلی زنر دیودها در بایاس معکوس یا همان ناحیه شکست است. به عبارتی شروع به کار این قطعات زمانی است که ولتاژ اعمالی به آنها حداقل ولتاژ زنر در بایاس معکوس باشد.

معیارهای انتخاب زنر دیودها

• ماکزیمم جریان زنر: بیشترین میزان جریان قابل عبور از دیود بدون ایجاد کمترین آسیب به آن است. این میزان در زنر دیودها 200 آمپر است.
• مینیمم جریان: به صورت کمترین میزان جریان لازم برای شروع کارکرد زنر دیود، در ناحیه شکست تعریف می شود. این کمیت 10-5 میلی آمپر است.
• اتلاف توان: بیشترین میزان توان تلف شده توسط جریان زنر است.  بیشتر شدن میزان توان از این حد ضمن بالا بردن دمای دیود، به سایر قطعات مرتبط با آن در مدار آسیب می زند. این کمیت برای زنر دیودها 200،350، 500 میلی وات و 1 وات است.
• ولتاژ نامی یا شکست: ولتاژی است که زنر دیودها هدایت جریان در بایاس معکوس را آغاز می کنند. این کمیت در زنر دیودها 20-24 است و تا 1 کیلو ولت هم می تواند بالا رود.
• جریان راه انداز مستقیم: مقدار جریان لازم در بایاس مستقیم، جهت کارکرد زنر دیود در بازه خطی ولتاژ است.

در پایان

دیودهای زنر قطعاتی نیمه هادی هستند که علاوه بر اجازه عبور جریان در بایاس مستقیم، این عملکرد را در بایاس معکوس هم نشان می دهند. عبور جریان در بایاس معکوس تا زمانی است که ولتاژی کاری دیود از ولتاژ شکست آن بالاتر باشد. اما اهمیت استفاده از دیود زنر چیست؟ در پاسخ به این سوال می توان به کارکرد اصلی آنها یعنی قابلیت این قطعات جهت تثبیت ولتاژ در مدار و محافظت از مدارهای الکتریکی اشاره کرد.

بر خلاف دیودهای معمولی که در شرایط بایاس معکوس و منطقه شکست آسیب می بینند، زنر دیودها قادرند در این شرایط کار کنند. این قطعات تا مادامی که در جهت مستقیم بایاس شوند، مانند دیودهای معمولی، جریان را از خود عبور می دهند. اما در شرایطی که ولتاژ معکوس اعمال شده از سطح ولتاژ شکست آن بیشتر باشد، جریان را عبور داده و سطح ولتاژ دو سر دیود ثابت می ماند. این ویژگی یعنی ایجاد ولتاژ پایدار باعث شده تا زنر دیودها در مونتاژ بردهای الکترونیکی بسیار پرکاربرد شناخته شود.

شما می توانید برای دریافت بهترین خدمات مونتاژ بردهای الکترونیکی با دستگاه هایی تمام اتوماتیک به مرصا الکترونیک مراجعه کنید.